автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Оценка качества видеоинформационных систем по характеристикам видеосигналов в процессе системного проектирования

/У; ОС--

', / Я). /6. ИЬ* /"6

Государственный комитет Российской Федерации по связи и

информатизации

Санкт-Петербургский государственныи университет телекоммуникаций им. проф. МАБончЧБруевича

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВИДЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ ВИДЕОСИГНАЛОВ В ПРОЦЕССЕ СИСТЕМНОГ О ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

На правах рукописи

Гоголь Александр Александрович

% 0¥ ДиссЩяция

"Г ^ХРШ-'Х^С >мл<у:

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

У

Санкт-Петербург

1939

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

Официальные оппоненты:

Заслухенный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Быков P.E. _ -^СКАЯ

ГОСУД,-., ВОЕННАЯ

доктор технических наук, профессор Пуговкин A.B. Б И Б Л И О Т ьЖА

доктор технических наук, профессор Тимофеев Б. С. j -у ^ С j С

Ведушая организация:

Научно-исследовательский институт телевидения (НИИТ), Санкт-Петербург. Защита диссертации состоится" 1999 г. вЮ 00 час.

на зас здании диссертационного совета Д. 063.05.02 Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г.Томск, пр.Ленина, 40

С диссертацией можно ознаког« зрственного

университета систем управлени-

Диссертация в форме научно ......1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета (Л/^^ч^л^-— А.А.Кузьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Оценка качества любой технической системы (ТС) представляет количественное определение таких ее характеристик, которые позволяют на информационном уровне представить степень соответствия различных свойств системы предъявляемым к ней требованиям, и которые обычно называют показателями качества системы (ПК).

Пути повышения качества ТС связаны не только с разработкой высокоэффективных технологий их проектирования и производства, но и с совершенствованием методов и средств контроля качества.

Эти положения относятся и к видеоинформационным системам (ВИС), которые, как непосредственно следует из их названия, предназначены для передачи визуальной информации от источника (объекта) к получателю сообщений. Такие системы весьма многообразны и, в зависимости от назначения, передают разное количество информации об объекте и о разных его свойствах. Выходным продуктом ВИС, в зависимости от целевого назначения, может являться либо изображение объекта, либо видеосигнал. В подавляющем большинстве случаев, конечным продуктом ВИС и их функциональных узлов (за исключением преобразователей сигнал/свет), является видеосигнал, содержащий информацию об объекте.

Как объекты самостоятельных исследований, ВИС представляют собой сложные технические системы (ТС), содержащие большое количество взаимосвязанных элементов, и характеризующиеся большим числом параметров.

Решение проблемы оценки качества таких систем еще сравнительно недавно было ограничено техническими возможностями. Многообразие контролируемых параметров вызывало необходимость разработки большого количества специализированных измерителей. Это приводило к тому, что: « достоверность показаний таких приборов была разной; • усилия разработчиков были направлены на создание измерительных алгоритмов, допускающих достаточно простую реализацию;

Крайне сложно технически было решить основную задачу - оценить эффективность и качество работы ВИС в целом.

Основополагающую роль в разработке телевизионных методов измерения сыграли работы М.И.Кривошеева, особенно предложенные им методы оценки

ВИС с помощью испытательных строк. Эта методы позволяют оперативно оценивать состояние тракта передачи и его отдельных звеньев, что дает возможность легко определять неисправное звено и принимать соответствующие меры для его восстановления или замены. Различные подходы к оценке качества воспроизведения изображений развивались в работах отечественных и зарубежных ученых: Я А.Рыфтмна, С.Б. Гуревича, М.В Антипина. Н.Н.Красильникова, И.И.Цуккермана, Р.Е.Быкова, М.А Грудзинского, Л.Н.Щилованова, Б.С.Тимофеева, С.В.Новаковского, И.Н Пустынского. Л.Л.Пс лосина, Л.С.Виленчика, Б.М.Певзнера, А.Я.Хесина, О.В.Гофайзена, Алл нага, Льюиса, Проссера, Паздерака и др.

Важным научно-техническим направлением развития телевизионных измерений являются видеоинформационные методы контроля - комплекс принципов и устройств оценки качества ВИС по параметрам контролируемых видеосигналов. Такие методы характеризуются тем, что необходимая информация о качестве формируемого видеосигнала извлекается непосредственно из самого видеосигнала. При этом измерения, в общем случае, производятся в процессе передачи как подвижных, так и неподвижных изобргжений. Очевидно, что в последнем случае достоверность извлекаемой информации возрастает, и становится возможным установить потенциальное качество формирования видеосигнала, которое может обеспечить ВИС. Следовательно, становится возможным установить качество самой ВИС, в отличи е от использования подвижных изображений, когда оценка зависит как от качества контролируемой системы, так и условий эксплуатации. Например, отношение сигнал/шум будет зависеть от условий освещения, четкость - от фокусировки и полосы частот канала передачи и т.д. В последние гады, с развитием цифрового телевидения, такие методы получили особенно заметное распрс сгранение. Одним из путей, позволяющих форсировать их прогресс, является передача, одновременно с изображением, измерительной информации о параметрах изображения по вспомогательному каналу (например, в интервале кадрового гасящего импульса). Такан информация, связанная с определенным кадром передаваемого изображения, при использовании скалярных оценок весьма незначительна по объему, но позволяет организовать сквозной контроль каналг передачи в процессе передачи. Реализация указанных методов встречает заметь ые трудности, связанные как со сложностью извлечения измерительной

информации об отдельных параметрах видеосигнала, так и с комплексной оценкой качества ВИС. Однако только такие методы позволяют обеспечить выходной контроль качества изображения и совершенства ВИС. Позитивную роль в развитии этого направления сыграли работы, проводимые кас(>едрой телевидения и видеотехники СПб ГУТ совместно с НИИТ, по созданию кабин технического контроля. Отсутствие соответствующей технологической Сазы и развитых методов комплексной оценки качества продукции в то время не позволили добиться значительных успехов в этом направлении. Лишь про!ресс в компьютерной технологии в последние годы дал возможность подойти к постановке этой проблемы, решение которой требует соответствующего теоретического обоснования.

Анализ публикаций (см., например, [40*]} показывает, что наряду с совершенствованием методик субъективной оценки качества изобр<!жения продолжаются попытки разработать объективные методы оценки этого качества, но уже на более высоком уровне знаний. 3 работах автора диссеэтации содержатся результаты поисковых, теоретических и практических исследований объективных методов оценки качества ВИС с помощью контроля характеристик видеосигнала. и методов системного анализа, применяемых при многокритериальном выборе оптимальных решений.

Цель научных исследований. Целью диссертационной работы является проведение системных исследований для построения теории и практического внедрения методов контроля качества ВИС с использованием оценок пара петров видеосигнала.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен системный анализ ВИС различных классов для выбора выходных показателей, достаточно полно характеризующих их качество;

- разработаны методы оценки показателей качества видеосигнала;

- теоретически обоснованы и рекомендованы практические методы многокритериальной оценки качества ВИС.

Методы исследований. При проведении научных исследований применялась методология системного подхода, потребовавшая существенного пересмотра критериев оценки качества ВИС, а также разработки новых методов ришения многих метрологических задач. При этом использовались методы теории информации, гармонического анализа, включая быстрое преобразование Фурье,

теория подобия и моделирование, теория систем, методы дискретизации случайных процессов и статистической обработки их реализаций, методы статистических испытаний и многокритериальной оптимизации, включая принцип Парето.

Научная новизна. Научная новизна работы характеризуется получением оригинальных теоретических результатов:

- обоснование принципов построения комплексной модели оценки качества ВИС, положенных а основу разработки метода оценки качества астрономической телевизионной системы, вещательной системы ТВЧ и проектирования датчиков цвета (ДЦ);

- выбор выходных показателей, достаточно полно характеризующих качество астрономической телевизионной системы, вещательной системы ТВЧ и

ДЦ;

- разработка высокоэффективных методов измерения таких показателей качества видеосигнала, как отношение сигнал/шум; разрешающей способности; критериев, характеризующих потенциальные возможности и совершенство ВИС;

- разработка методов формирования испытательных последовательностей для получения статистических характеристик исследуемых систем;

- разработка нового принципа метрологической аттестации компьютерных многофункциональных измерителей параметров видеосигналов.

На основе теоретических и экспериментальных исследований созданы и использованы в научных экспериментах и промышленных разработках многофункциональные измерители различного назначения - анализатор сигналов ТВЧ, цифровые измерители параметров телевизионного сигнала, датчики для контроля и сортировки объектов по цвету, измерительный комплекс для телевизионной системы наблюдения точечных объектов.

Личный вклад автора. Постановка системных проблем оценки качества ВИС с помощью контроля характеристик видеосигнала, разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, создание математических моделей, разработка алгоритмов получения оценок параметров видеосигнала - выполнены автором лично.

Программы решения ряда задач и их прикладное использование были выполнены совместно с аспирантами автора.

Практическое внедрение результатов исследований осуществлялись автором

с сотрудниками кафедры Телевидения и видеотехники СПб ГУТ им. проф.М А Бонч-Бруевича под научным руководством и при личном участии

автора.

Практическая ценность и реализация результатов работы. В процессе выполнения научных и .экспериментальных исследований созданы макеты широкого класса устройств оценки качества таких ВИС, как телевизионные астрономические системы, системы ТВЧ, телевизионные передатчики. Создан и исследован макет устройства для оценки цвета продукции.

Теоретические результаты диссертационной работы были использовены при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре Телевидения и видеотехники СПб ГУТ им. проф.М. А. Бонч-Бруевича совместно с: НИИ телевидения в 1974-1994 г г., НПО им. Коминтерна в 1990-1991 г г. и компании Allen-Bradley (США) в 1993-1998 г г. Созданные при этом образцы измерительного комплекса для телевизионной астрономической системы, серийно от>ены и нашли применение для метрологической аттестации ТВ системы наблюдения за точечными объектами.

Макет датчика цвета передан по контракту в компанию Allen-Bradley.

Макет анализатора параметров ТВ сигнала передан в НПО им. Коминторна.

Макет измерителя параметров сигналов ТВЧ передан в НИИ телевидения.

Часть результатов работы использована при чтении лекций пс курсу "Телевидение" в СПб ГУТ и подготовке трех учебников по курсу телевидения, вышедших в издательстве "Радио и связь" в 1986, 1997 гг. и в издательстве "Мир" на английском языке в 1989 г, постановке нового спецкурса по ТВ измерени ям.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 5-й НТК "Современное телевидение" (Москва. 1997г.), конференции, посвященной 5-й международной "Санкт-Петербургской видеоярмарке" (Санкт-Петербург, 1997г.), республиканской НТК "Достижения науки - производству" (Баку, 1988 г.), 4-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (Харьков,1998 г.), 51-й НТК профессорско-преподавательского состава СПбГУТ (Санкт-Петербург, 1998 г.), 6-й НТК "Современное телевидение" (Москва, 1998г.), первой международной НТК «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Алмааты, 1998г.), международной НТК «Системные проблемы надежности и математического моделирования и информационных технологий» (Москва-Сочи, 1998г.), первой

международной НТК «Проблемы функционирования систем радио и электросвязи» (Баку. 1998г.).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 45 работах, в том числе, в 3 учебниках, 2 учебных пособиях, в статьях в научных журналах, в сборниках, трудах, материалах и тезисах международных, российских, республиканских и региональных научных конференций и симпозиумов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка качества ВИС по характеристикам видеосигналов на основе системного анализа, включающая в себя:

- выбор системы частных критериев, непосредственно отражающих качество исследуемых ВИС и позволяющих количественно оценивать степень выполнения технических требований;

- методы измерения частных показателей качества видеосигнала;

- математические модели функционирования ВИС;

- методы оценки точностных характеристик измерения параметров исследуемых ВИС;

- методику метрологической аттестации многофункциональных приборов, позволяющую существенно упростить процесс их сдачи-приемки и периодической поверки;

- методику формирования испытательных последовательностей.

2.Теоретическое обоснование метрологического обеспечения астрономической ТВ системы, включающее:

- математические модели системы в виде условных распределений координат и яркости объектов наблюдения, позволившие обоснованно выбрать частные показатели ее качества;

- требования к испытательным изображениям, позволившим получать эффективные оценки показателей качества;

- алгоритмы измерения частных показателей качества, в виде потенциальной точности измерения координат и яркости объекта наблюдения, отношения сигнал/помеха и длительности видеоимпульса изображения.

3.Метрологическое обеспечение и основы проектирования системы ТВЧ, включающие:

- математические модели системы ТВЧ и условий ее функционирования, а

также испытательных изображений, обеспечивающих оценку качества ее метрологического обеспечения:

- оптимизацию метрологического обеспечения по показателям качества (разрешающая способность и отношение сигнал/шум) на основе математического моделирования.

4.Методы оценки качества измерителей цветовых характеристик и их проектирование, включающие:

- математическую модель цветовых характеристик объектов наблюдения;

- математическую модель оптической системы, обеспечивающую структурную и параметрическую оптимизации измерителей цветовых характеристик;

- оптимизацию параметров светодиодных датчиков цвета.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Обобщение теоретических результатов 1.1. Системный принцип построения теории и практических приложений оценки качества ВИС по характеристикам видеосигнала

Анализ работ по оценке качества ТВ систем и видеосигналов [3*,9*, 11*13*, 20*.24*,30*,32*,34*.35*1 • показывает, что вместе с совершенствованием субъективных методик измерения качества изобр<чжения продолжаются исследования в области совершенствования критериев оценки качества ВИС и изображений.

Требования, которые предъявляются к критериям качества, сформулированы в ряде работ (см., например, [20*]):

• критерий должен оценивать систему в соответствии с ее цэлевой функцией, отражать эту цель и охватывать все основные стороны заботы системы;

• критерий качества должен быть статистическим, так как только помехи ограничивают возможности системы;

• критерий качества должен учитывать алфавит передаваемых изображений и характеристики наблюдателя;

• критерий качества должен быть по зозможности наглядным, иметь четкий физический смысл;

• критерий, в конечном итоге, должен выражаться одним числом;

Анализ работ, посвященных оценкам качества ТВ изображения и совершенства ТВ систем, приводит к следующим выводам:

1. До настоящего времени продолжаются исследования, связанные с разработкой критериев качества ТВ систем и изображений. При этом используется все более сложный математический аппарат, современные методы обработки результатов набл�